井下煤壁钻孔机器人模拟实验机及其工作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及实验教学领域，尤其是设及煤壁钻孔过程的实验教学设备。
【背景技术】
[0002] 井下煤壁钻孔作业过程，尤其是在煤壁上钻大直径卸压孔的作业过程，是大中院 校相关专业课程的必修章节内容。由于煤矿井下工作环境的特殊性且受条件限制，相关专 业学生无法现场观摩煤矿井下钻孔作业全过程，学生不容易对钻孔卸压理论加深理解和深 刻认识专业课程的内容，影响教学质量。目前，在现代课程教学中模拟实验发挥着重要作 用，但在学校实验仪器范围内还没有发现煤矿井下钻孔施工过程该方面的模拟实验设备。
【发明内容】
[0003] 为了向相关专业学生展示生动逼真的煤矿井下钻孔作业全过程，W有效解决相关 专业学生不能现场观摩钻孔施工的现实问题，提高学生对钻孔卸压理论的理解与认识及相 关专业课程教学质量，本发明提出一种井下煤壁钻孔机器人模拟实验机，W及模拟实验机 的工作方法。
[0004] 一种井下煤壁钻孔机器人模拟实验机，其特征在于，它是在一个行走底盘上设有 支撑机构、转台机构、避障信号传感器和控制器；支撑机构上还设有位置信号传感器；转台 机构上还设有钻孔机构；其中：
[0005] 所述的行走底盘是由左右两个行走电机拖动的行走底盘；
[0006] 所述的支撑机构是齿轮齿条机构，具体构造是，在行走底盘的重屯、位置上开有洞 口，洞口上面固定一个方筒，在方筒一侧面安装有升降电机，方筒内安装有齿轮，升降电机 通过减速传动机构与齿轮实现传动，齿轮的两侧分别晒合有竖直的齿条，其中一个齿条通 过洞口伸到行走底盘的下面，并在齿条底端设有支撑座，升降电机运行时齿轮在齿条上运 动，带动行走底盘脱离地面，使整机重量由支撑座支撑。另一根齿条在齿轮传动作用下向上 支撑，模拟支撑到巷道顶板的工况；
[0007] 所述的钻孔机构是在钻孔电机轴上安装有连接筒，连接筒插入一根螺纹式钻杆， 连接筒侧面开有导向槽，钻杆的后部设有销孔，将销钉通过导向槽安装在销孔中，使钻杆在 连接筒中既可W前后移动又能与连接筒一起旋转；
[000引所述的转台机构是在行走底盘上设有上下贯通的立轴，行走底盘下面安装有转台 电机，转台电机与立轴实现传动，立轴上面设有转台，转台上设有钻机推进架；钻机推进架 是两个前后相距一定距离的朝上的立板，前立板上设有光孔，后立板上设有螺孔，光孔和 螺孔在一条轴线上；
[0009] 钻孔机构与钻机推进架的安装结构是，钻孔机构的钻孔电机轴从后立板光孔中朝 螺孔方向穿过，穿过后将钻孔电机固定在后立板上，再将钻杆朝着后立板的方向从前立板 螺孔中旋入，直至插入连接筒中，钻杆插入连接筒后从导向槽中安装上销钉，钻孔电机转动 时，钻杆与连接筒一起旋转并在螺孔作用下前进或后退；
[0010] 所述的避障信号传感器设有左、右、前左、前右四个方向的传感器。
[0011] 所述的控制器由AT89S52单片机、复位电路、时钟电路和ミ个L298N直流电机驱动 板块组成；连接关系如下：
[0012] AT89S52单片机P0 口的P0. 0-7八个管脚经过上拉电阻R37后，其中P0. 0-3四个 管脚分别与四个避障传感相连实现检测信号传输，在单片机程序控制下，控制机器人避开 障碍物；
[0013] 其中P0. 4-7四个管脚再分为2路与第一个L298N直流电机驱动模块连接；第一 个L298N直流电机驱动模块一路连接转台电机，另一路连接升降电机，第一个L298N直流电 机驱动模块的两个使能端口分别与AT89S52单片机的P3. 2管脚和P3. 3管脚相连，从而实 现对转台电机和升降电机的自动控制；当单片机程序发出升降电机启动的指令后，单片机 P3. 2输出信号，则L298N的EN A工作，使得L298N的电机驱动信号有效，同时，P0. 4、P0. 5 输出信号到L298N的输入端IN1、IN2,则L298N的2个输出端OUT 1与OUT 2向升降电机 输出控制信号，升降电机开始运行；
[0014] AT89S52单片机P1 口的P1. 0-3四个管脚分为2路与第二个L298N直流电机驱动 模块连接，第二个L298N直流电机驱动模块一路连接左行走电机，另一路连接右行走电机， 第二个L298N直流电机驱动模块的两个使能端口分别与AT89S52单片机的P3. 4 口和P3. 5 口相连，从而实现对左右行走电机的自动控制；
[0015] AT89S52单片机P1 口的P1.4-5两个管脚与第=个L298N直流电机驱动模块连接， 第S个L298N直流电机驱动模块连接钻孔电机，第S个L298N直流电机驱动模块的两个使 能端口分别与AT89S52单片机的P3. 6管脚和P3. 7管脚相连，从而实现对钻孔电机的自动 控制；
[0016] 支撑机构的位置信号传感器与AT89S52单片机的P2. 1管脚、P2. 2管脚连接，支 撑机构的支撑到位信号传输到单片机P2. 1管脚后，在单片机程序控制下，升降电机停止支 撑；当单片机程序通过单片机P2. 3管脚发出机构复位信号后，升降电机驱动支撑机构返 回，并在检测到复位到位信号并传输到单片机P2. 2管脚后，支撑机构停止运行。
[0017] 上述的复位电路与AT89S52单片机的RST 口连接；
[001引上述的时钟电路与AT89S52单片机的X1、X2、GND 口连接。
[0019] 本井下煤壁钻孔机器人模拟实验机由控制器按照工作顺序，控制行走电机、升降 电机、转台电机和钻孔电机的运转，从而实现整机行走、钻孔机构定位、钻孔角度调整及钻 孔的模拟动作。
[0020] 上述井下煤壁钻孔机器人模拟实验机的工作方法是：
[0021] 第一步，将模拟实验机置于起点，接上电源，按下启动按钮，控制电路开始工作；
[0022] 第二步，模拟实验机的行走电机启动，整机自动向前运行，当遇到障碍物时，转弯 绕过障碍物后继续前进，行走到假设煤壁位置时，原地停止；
[0023] 第=步，支撑机构的升降电机启动，使行走底盘脱离地面，由支撑座支撑在地面 上，并定位到钻孔高度；
[0024] 第四步，转台机构的转台电机启动，使转台平面旋转，自动调整钻杆的钻孔角度；
[0025] 第五步，钻孔机构的钻孔电机启动，钻杆转动并前进，模拟钻孔动作；当钻杆完全 伸出后，停止前进并自动退回；
[0026] 第六步，按下复位按钮，模拟实验机的转台机构和支撑机构恢复原位，模拟实验机 自动返回到起点。
[0027] 本发明的有益效果是：
[002引该模拟实验机适用于煤矿工程及机械电子工程等相关专业学生课程实践教学，特 别适用于受限于煤矿现场作业危险性而无法获得煤矿井下现场观摩经历的各专业学生的 实践教学，其应用与推广价值主要包括W下几个方面：
[0029] 1)钻孔工序完整且智能化程度高；采用单片机作为核屯、控制组件，实现煤矿井下 钻孔的各项动作，对相关专业课程教学具有广泛的应用与推广价值；
[0030] 2)可靠性高：自动支撑机构可实现整机自动定位，工作可靠性高，特别适合于煤 矿工程及机械电子工程等相应专业课程实践教学与推广应用；
[0031] 3)成本低廉；整机的机械传动部件、硬件电路及控制程序采用优化设计方法，构 造简单、实用。
【附图说明】
[0032] 图1是本发明实施例的整体结构主视图示意图；
[0033] 图2是本发明实施例的整体结构俯视图示意图；
[0034] 图3是本发明实施例整体结构右视图示意图；
[0035] 图4是本发明实施例的支撑机构示意图；
[0036] 图5是本发明实施例的钻孔机构与转台机构示意图；
[0037] 图6是本发明实施例的电路图；
[003引图7是本发明实施例的工作方法流程图。
[0039] 图例说明，1-行走底盘，2-支撑机构，3-转台机构，4-钻孔机构，5-升降电机， 6a-方筒，6b-上齿条，6c-下齿条，7-齿轮，8-支撑座,9-钻孔电机，10-后立板，11-销孔， 12-连接筒，13-导向槽，14-前立板，15-钻杆，16-转台，17-转台电机，18-立轴，19-避障 信号传感器，20-控制器，21-位置信号传感器。
【具体实施方式】：
[0040] 如图1-3所示，一种井下煤壁钻孔机器人模拟实验机，它是在一个行走底盘1上设 有支撑机构2、转台机构3、避障信号传感器19和控制器20 ;转台机构3上设有钻孔机构4， 支撑机构2上还设有位置信号传感器21 ;
[0041] 所述的行走底盘1是由行走电机拖动的行走底盘，行走底盘是现有技术，图中显 示是履带式底盘，也可W用轮式底盘替代，图中未画出行走电机和传动机构。
[0042] 如图4所不，所述的支撑机构2是齿轮齿条机构，具体构造是，在行走底盘1的重 屯、位置上开有洞口，洞口